高壓鹽水層控壓放水室內實驗研究

梁紅軍， 李 軍， 李衛東， 楊宏偉， 賈紅軍， 黃 濤

(1中國石油塔里木油田公司 2中國石油大學石油工程學院·北京)

近年來，克拉蘇構造帶鉆高壓鹽水層溢流的井數總體呈上升趨勢，2009～2018年克拉蘇構造帶發生高壓鹽水溢流井29口，占鉆井總數的25%以上，共漏失鉆井液上萬方，累計損失時間上千天，損失鉆井費用超億元[1-3]。控壓放水工藝技術可以有效地解決上述問題，但目前該技術僅處于探索狀態，缺乏適應性評價技術體系。田徑[4]最早提出了一種放噴卸壓技術，為控壓放水技術的應用奠定了基礎，但該技術需要采用特殊的設備，經濟效益差；程天輝[5]首次詳細的介紹了控壓放水技術在克深905井的成功應用，但其結果缺乏理論支撐。

為了探究控壓放水過程中地層壓力和排水量之間的關系，以及地層滲透率、井底負壓差、回壓對地層壓力和排水量的影響，根據鹽間水層透鏡體的圈閉特性，本文建立了一套控壓放水室內試驗裝置。通過改變滲透率、井底負壓差、回壓等參數，實時測量地層壓力和排水量的變化，分析地層壓力與排水量之間的關系，以便為控壓放水的方案制定和現場作業提供參考。

一、控壓放水實驗裝置

高壓鹽水層透鏡體通常屬于小的圈閉，采用合理的防水方式可以降低鹽間水層透鏡體的壓力系數。因此本文采用一個大型水罐來模擬含水透鏡體，通過向大型水罐中注入水和高壓氣體來模擬高壓鹽水。不同地層的滲透率通過一個節流閥的不同開度來模擬，井底壓差和井口回壓也通過節流閥開度來施加。控壓放水實驗原理圖如圖1所示。

圖1 控壓放水實驗原理圖

V1—地層滲透率；V2—施加井筒壓力；V3—施加井口回壓；p1—地層壓力；p2—井筒壓力；p3—井口回壓；Q1—排水量

控壓放水實驗系統中主要的實驗裝置有：空氣壓縮機、大型水罐、水罐、壓力傳感器、流量傳感器、節流閥和采集系統。采集系統可以實時的采集放水過程中各個壓力傳感器和流體傳感器的數據。

控壓放水過程中，地層壓力和排水量與地層滲透率、井底負壓差和井口回壓有關，這些參數在實驗過程中都通過節流閥開度來控制。實驗過程中，控制其中一個參數變化，其他參數不變來探究地層壓力和排水量的變化。

二、實驗結果與分析

1. 滲透率影響實驗

在其他條件相同的情況下，設置不同的地層滲透率，放出相同水量的過程中地層壓力、放水速率以及排水量與地層壓力之間關系的變化曲線如圖2～圖4所示。

圖2 不同滲透率條件下放出相同水量的過程中地層壓力的變化

圖3 不同滲透率條件下放出相同水量的過程中放水速率的變化

圖4 不同滲透率條件下放出相同水量的過程中地層壓力隨排水量的變化

圖2和圖3的實驗結果表明，隨著地層滲透率的增加，地層壓力降低速率和放水速率顯著增加，但其對時間的敏感性逐漸降低。這主要是因為在高滲透率的地層中，地層滲流阻力小，流體流動性好，所以排水速率較高；由于地層含水量與地層壓力的耦合關系，出水速率較高導致地層壓力降低速率也增加。此外，由圖4可知地層滲透率僅對地層壓力降低速率有影響，而對地層壓力降低的量影響較小，地層壓力降低的幅度主要取決于排水量。

2. 井底負壓差影響實驗

在實驗中，不同井底負壓差是通過在相同的地層壓力下設計不同的井筒壓力來實現的。在調節井筒壓力的過程中保持其他參數不變，放出相同水量的過程中地層壓力、放水速率以及排水量與地層壓力之間關系的變化曲線如圖5～圖7所示。

圖5 不同井底負壓差條件下放出相同水量的過程中地層壓力的變化

圖6 不同井底負壓差條件下放出相同水量的過程中放水速率的變化

圖7 不同井底負壓差條件下放出相同水量的過程中地層壓力隨排水量的變化

圖5～圖7實驗結果表明，井底負壓差越大，排水速率越大，地層壓力的下降速度和幅度都會更大。但在相同排水量的條件下，地層壓力的降低幅度無法確定，還要取決于滲透率和孔隙度決定的地層滲流阻力。

3.回壓影響實驗

實驗中井口回壓的控制通過調節閥門V3實現。放出相同水量的過程中地層壓力、放水速率以及排水量與地層壓力之間關系的變化曲線如圖8～圖10所示。

圖8 不同井口回壓條件下放出相同水量的過程中地層壓力的變化

圖9 不同井口回壓條件下放出相同水量的過程中放水速率的變化

實驗結果表明，井口回壓越小，在放水過程中排水速率越大。井口回壓對地層壓力變化的影響不明顯，但在相同排水量的條件下，井口回壓越小，壓力下降幅度越大。

圖10 不同井口回壓條件下放出相同水量的過程中地層壓力隨排水量的變化

三、結論

(1)建立了控壓放水室內實驗裝置，以此來探究排水量和地層壓力變化的關系，以及地層滲透率、井底負壓差和井口回壓對排水量和地層壓力變化的影響。

(2)地層滲透率、井底負壓差對排水量和地層壓力的變化速率影響較大，而對地層壓力的變化量影響較小；地層壓力的變化量主要取決于放水量。

(3)由于回壓的調節范圍有限，所以其對地層壓力的降低速率和降低量影響較小，但會對放水速率有一定的影響。這也表明放水速率對壓力的敏感性較高。